dnes je 3.7.2022

Input:

Malé větrné elektrárny

17.3.2010, , Zdroj: Verlag Dashöfer

6.8.3.2
Malé větrné elektrárny

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

Úvod

Větrné elektrárny jsou považovány za jeden z obnovitelných zdrojů elektrické energie. Počátek rozvoje větrných elektráren byl začátkem 80. let minulého století zejména v USA a Dánsku, v ČR byly na začátku 90. let 20. století instalovány malé větrné elektrárny pro komerční účely, ale i střední větrné elektrárny s instalovaným výkonem několika set KW připojovaných do sítí vn. V dalším textu jsou uvedeny základní požadavky, které je třeba respektovat navrhování, projektování a realizaci malých větrných elektráren připojovaných do sítí nízkého napětí.

Rozsah použití

Tento materiál se týká malých větrných elektráren s průtočnou plochou rotoru menší než 200 m2, generující elektrický proud o napětí menším než AC 1 000 V, nebo DC 1 500 V a specifikuje požadavky na jejich mechanickou bezpečnost včetně návrhu a instalace strojních částí, včetně údržby a provozu, při respektování v textu specifických vnějších podmínek. Účelem je poskytnout odpovídající úroveň nezbytné ochrany proti poruše vyplývající z rizik systému během jeho životnosti.

Materiál uvádí požadavky na dimenzování všech mechanických prvků malých větrných elektráren, jako jsou ochranné mechanizmy, mechanické soustavy, nosná konstrukce, základy, vnitřní elektrické systémy a elektrické spojení se zátěží.

Citované normy

ČSN EN 60034-1 (35 0000) Točivé elektrické stroje – Část 1 : Jmenovité údaje a vlastnosti

ČSN EN 60034-2 (35 0000) Točivé elektrické stroje – Část 2 : Metody určování ztrát a účinnosti točivých elektrických strojů ze zkoušek (s výjimkou strojů pro trakční vozidla)

ČSN EN 60034-5 ed. 2 (35 0000) Točivé elektrické stroje – Část 5 : Stupně ochrany dané vlastní konstrukcí točivých elektrických strojů (IP kód) – klasifikace

ČSN EN 60034-8 (35 0000) Točivé elektrické stroje – Část 8 : Značení svorek a smysl točení

ČSN 33 0120 :2001 Elektrotechnické předpisy – Normalizovaná napětí IEC

ČSN EN 60204-1 (33 2200) Bezpečnost strojních zařízení – Elektrická zařízení strojů – Část 1 : Všeobecné požadavky

ČSN 33 2000-5-54 Elektrotechnické předpisy – Elektrická zařízení – Část 5 : Výběr a stavba elektrických zařízení – Kapitola 54 : Uzemnění a ochranné vodiče

ČSN IEC 721-2-1 (03 8900) Klasifikace podmínek prostředí – Část 2 : Podmínky vyskytující se v přírodě. Teplota a vlhkost vzduchu (idt HD 478.2.151:1989, idt IEC 721-2-1:1982)

ČSN EN 61400-1 ed. 2 (33 3160) Větrné elektrárny – Část 1 : Návrhové požadavky

ČSN EN 61400-12-1 (33 3160) Větrné elektrárny – Část 12 -1: Měření výkonu větrných elektráren

IEC 61643-1 Zařízení proti přepětí připojená do nízkonapěťové distribuční sítě – Požadavky a zkoušky

ČSN EN ISO/IEC 17025:2005 (01 5253) Posuzování shody – Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří

ČSN ISO 2394 (73 0031) Obecné zásady spolehlivosti konstrukcí

Terminologie

Pro účely tohoto materiálu se používají následující termíny a definice:

roční průměr

střední hodnota souboru měřených dat dostatečného rozsahu a doby trvání, která může sloužit k odhadu očekávané hodnoty sledované veličiny

POZNÁMKA Pro vyloučení nestacionárních účinků sezónních změn musí být průměrovaný časový interval celým číslem roků pozorování.

roční střední rychlost větru

V ave

rychlost větru průměrovaná podle definice pro roční průměr

cyklus automatického opětovného sepnutí

událost s časovou periodou od 0,01 s do několika vteřin, během které je uvolněn vypínač, poté co po poruše sítě došlo k jejímu automatickému připojení

brzda (větrných elektráren)

zařízení schopné snížit otáčky rotoru nebo zastavit jeho otáčení

katastrofická porucha (větrných elektráren)

porucha, nebo destrukce součástky nebo konstrukce, která vede ke ztrátě provozní funkce a naruší bezpečnost

charakteristická hodnota (vlastnosti materiálu)

hodnota mající předepsanou pravděpodobnost toho, že nevznikne při teoreticky neomezené době zkoušení

řídicí systém (pro větrné elektrárny)

subsystém, který dostává informace o stavu větrné elektrárny a/nebo okolního prostředí a nastavuje větrnou elektrárnu tak, aby pracovala v provozních mezích

rychlost větru připojení

V in

nejnižší rychlost větru ve výšce náboje rotoru, při které větrná elektrárna začíná dodávat využitelný výkon v případě ustáleného větru bez turbulence

rychlost větru odstavení

V out

nejvyšší rychlost větru ve výšce náboje rotoru, na kterou je větrná elektrárna navržena, aby při ní dodávala využitelný výkon

návrhové meze

maximální nebo minimální hodnoty použité při návrhu

návrhová situace

možné stavy provozu větrné elektrárny, například výroba elektřiny, parkování atd.

návrhová rychlost větru

vstupní rychlost větru použitá pro jednoduché rovnice při návrhu (rovna ,4 V ave)

po větru

v hlavním směru větru

nouzové odstavení (pro větrné elektrárny)

rychlé odstavení větrné elektrárny způsobené zásahem ochranného systému nebo ručním zásahem

charakteristiky okolního prostředí

charakteristiky okolního prostředí (výška, teplota, vlhkost, atd.), které mohou ovlivňovat chování větrné elektrárny

vnější podmínky (pro větrné elektrárny)

faktory, které ovlivňují provoz větrné elektrárny, včetně režimu větru a dalších klimatických faktorů (sníh, led, atd.), zemětřesení a podmínek elektrické sítě

extrémní rychlost větru

nejvyšší rychlost větru, průměrovaná během t vteřin, určovaná v zadaném časovém úseku (rekurentní době) T roků

POZNÁMKA Ve většině norem jsou rekurentní periody T = 50 roků a T = 1 rok a jako čas průměrování se používá t = 3 s a t = 10 min. Slangově se často používá termín "rychlost větru přežití“. Zde je pro návrhové zatěžovací případy větrné elektrárny použita extrémní rychlost větru.

bezpečný proti poruše

návrhová vlastnost prvku konstrukce, která brání, aby jeho porucha způsobila kritické poruchy

sklápění

pasivní mechanizmus pro zabránění překročení otáček tím, že je zmenšena průtočná plocha vrtule

poryv

rychlá a krátká změna rychlosti větru

POZNÁMKA Poryv může být charakterizován dobou svého narůstání, velikostí a dobou trvání.

větrná elektrárna s vodorovnou osou otáčení

v ětrná elektrárna, u které je osa rotoru téměř rovnoběžná se směrem větru

náboj rotoru (větrných elektráren)

konstrukční prvek sloužící k uchycení nebo montáží listů rotoru k hnacímu hřídeli

výška náboje rotoru (větrných elektráren)

výška středu rotoru větrné elektrárny nad povrchem okolního terénu; pro větrné elektrárny se svislou osou je výška náboje výškou rovníku rotoru nad zemí

volnoběh (pro větrné elektrárny)

rotor větrné elektrárny se pomalu otáčí a nedodává žádný využitelný výkon

mezní stav

stav konstrukce zatížené vnějším zatížením, po jehož překročení konstrukce již není schopna vyhovět návrhovým požadavkům

POZNÁMKA Účelem návrhových výpočtů (tj. návrhové požadavky na mezní stav) je udržet pravděpodobnost toho, že mezní stav vznikne dříve, než je dosaženo hodnoty předepsané pro daný typ konstrukce (dle ISO 2394).

zatěžovací případ

kombinace návrhové situace a vnější podmínky, která vede k zatížení konstrukce

logaritmický zákon střihu větru

matematický zákon, který vyjadřuje změnu rychlosti větru s výškou nad zemí jako logaritmickou funkci

střední rychlost větru

statistická střední hodnota okamžitých hodnot rychlosti větru, průměrovaná v daném časovém intervalu, který může být proměnlivý od několika vteřin až po několik let

gondola

konstrukční celek na vrcholu věže větrné elektrárny s vodorovnou osou otáčení, ve kterém je umístěn hnací hřídel a další konstrukční prvky

normální odstavení (pro větrné elektrárny)

odstavení, při kterém všechny fáze odstavení jsou pod kontrolou řídicího systému

provozní meze

soubor podmínek definovaný konstruktérem malé větrné elektrárny, které určují aktivaci řídicího nebo ochranného systému

parkování větrné elektrárny

závisí na konstrukci větrné elektrárny, parkování znamená, že větrná elektrárna je buď ve stavu klidu, nebo ve volnoběžném režimu

parkování

situace, ve které větrná elektrárna zůstává po normálním odstavení

exponenciální zákon střihu větru

matematický zákon, který vyjadřuje změnu rychlosti větru s výškou nad zemí jako exponenciální funkci

výstupní výkon

výkon dodávaný zařízením ve specifické formě a pro specifické účely

POZNÁMKA Pro větrné elektrárny je to elektrický výkon dodávaný větrnou elektrárnou.

ochranný systém (větrné elektrárny)

systém, který zaručí, že větrná elektrárna zůstane v návrhových mezích

Rayleighovo rozdělení

pravděpodobnostní funkce rozdělení hustoty pravděpodobnosti, obvykle používaná pro rychlost větru; rozdělení závisí na nastavitelném parametru – parametru měřítka, který určuje střední rychlost větru

POZNÁMKA Reyleighovo rozdělení je identické s Weibullovým rozdělením s parametrem tvaru 2.

referenční rychlost větru

V ref

základní parametr používaný pro rozdělení větrných elektráren do tříd; další návrhové klimatické parametry jsou odvozeny od referenční rychlosti větru a dalších základních parametrů jednotlivých tříd malých větrných elektráren

POZNÁMKA Větrná elektrárna, navržená pro třídu malých větrných elektráren, která odpovídá referenční rychlosti větru V ref, je navržena tak, aby bezpečně vydržela klimatické podmínky, pro které je desetiminutová střední rychlost větru ve výšce náboje, pro dobu výskytu jednou za 50 roků, menší nebo rovna referenční rychlosti větru V ref

rezonance

jev, který se vyskytuje u kmitajícího systému, při kterém vynucený kmitočet je velmi blízký vlastnímu kmitočtu

otáčky rotoru (pro větrné elektrárny)

otáčky rotoru větrné elektrárny

drsnostní délka

extrapolovaná výška, ve které střední rychlost větru klesne na nulu při logaritmické změně rychlosti větru s výškou

životnost

provozní životnost s deklarovanou pravděpodobností katastrofické poruchy

plánovaná údržba

preventivní údržba prováděná podle zavedeného časového plánu

zastavení (pro větrné elektrárny)

přechodový stav větrné elektrárny mezi dodáváním do sítě a zabrzděným stavem nebo volnoběhem

zastavená větrná elektrárna

stav, při kterém je větrná elektrárna zastavena

nosná konstrukce (větrných elektráren)

část větrné elektrárny zahrnující věž a základy

rychlost větru přežití (populárně)

populární výraz pro maximální rychlost větru, kterou má navržená konstrukce bezpečně přenést

POZNÁMKA V normách souboru IEC 61400 tento výraz není použit; návrhové podmínky místo toho odkazují na extrémní rychlost větru

malá větrná elektrárna

systém s průtočnou plochou rotoru 200 m2 a méně, který mění kinetickou energii větru v energii elektrickou

průtočná plocha rotoru

průmět plochy vytvořené rotorem během jedné otáčky do roviny kolmé k vektoru rychlosti větru

intenzita turbulence

poměr směrodatné odchylky rychlosti větru ke střední hodnotě rychlosti větru, určený v definovaném časovém úseku ze stejného souboru dat jako data o rychlosti větru

stav na mezi únosnosti

limitní stav, který obecně odpovídá maximální únosnosti konstrukce

neplánovaná údržba

údržba prováděná nikoliv podle stanovené doby údržby, ale po přijetí oznámení o stavu zařízení

proti větru

ve směru opačném, než je směr větru

větrná turbína se svislou osou otáčení rotoru

(vertical axis wind turbine)

větrná turbína, u které je osa rotoru vertikální

Weibullovo rozdělení

pravděpodobnostní distribuční funkce často používaná pro rychlost větru; tato distribuční funkce závisí na dvou parametrech, parametru tvaru, který charakterizuje šířku rozdělení, a parametru měřítka, který charakterizuje střední rychlost větru

POZNÁMKA Viz rozdělení rychlosti větru.

profil větru – matematický zákon pro střih větru

matematický výraz pro předpokládanou změnu rychlosti větru s výškou nad zemí

POZNÁMKA Obvykle používané profily jsou logaritmický profil (rovnice 1) nebo exponenciální profil (rovnice 2).

(1) V(z) = V(zr) In(z/z0)
In(zr/z0)
(2) V(z) = V(zr) (z)α
(zr)

kde

V (z) je rychlost větru ve výšce z;

z výška nad úrovní terénu;

z r referenční výška nad úrovní terénu použitá pro stanovení profilu větru;

z 0 drsnostní délka;

α exponent (pro exponenciální zákon střihu větru).

střih větru

změna rychlosti větru v rovině kolmé ke směru větru

exponent střihu větru α

často označovaný jako mocnitel exponenciálního zákona pro střih větru

rozdělení rychlosti větru

pravděpodobnostní funkce rozdělení používaná při popisu rozdělení rychlosti větru v určitém časovém období

POZNÁMKA Často používaná funkce rozdělení je Rayleighovo P R (V 0), a Weibulovo P W (V 0) rozdělení.

PR {V < V0} = 1 – exp (– π(V0/2Vave)2) (3)

PW {V < V0} = 1 – exp (– (V0/C)k)

kde

P R (V 0) je kumulativní pravděpodobnostní funkce, tj. pravděpodobnost toho, že V ≤ V0;

V 0 rychlost větru (mezní);

V ave střední hodnota rychlosti V;

C parametr měřítka Weibullova rozdělení;

k parametr tvaru Weibullova rozdělení;

Γ gamma funkce

Parametry C a k mohou být vyhodnoceny ze skutečných dat. Rayleighovo rozdělení je totožné s Weibullovým rozdělením, když k = 2 a C a V ave vyhovují podmínce stanovené v rovnici (4) pro k = 2. Distribuční funkce vyjadřuje kumulativní pravděpodobnost toho, že rychlost větru je nižší než V 0. Hodnota (P (V 1) – P(V 2)) vyhodnocená v rozmezí rychlostí V 1 a V 2, bude určovat zlomek času, po který bude rychlost větru v těchto mezích. Derivování distribuční funkce vede k odpovídající funkci rozdělení hustoty pravděpodobnosti.

rychlost větru

vektor směřující ve směru pohybu okamžitého množství vzduchu obklopujícího uvažovaný bod, velikost vektoru je rovna rychlosti pohybu elementu vzduchu (tj. místní rychlosti větru)

POZNÁMKA Vektor v kterémkoliv bodě je časovou derivací polohového vektoru elementu vzduchu procházejícího tímto bodem.

směrové natáčení

otáčení osy rotoru okolo vertikální osy (pouze pro větrné elektrárny s vodorovnou osou otáčení rotoru)

časová změna úhlu směrového natočení

časová změna úhlu směrového natočení, úhlová rychlost směrového natáčení

odchylka směrového natočení

vodorovná výchylka rotoru větrné elektrárny ze směru větru

Značky, indexy a zkratky Značky, jednotky

A příčná plocha [m2]

A proj plocha promítnutá na rovinu kolmou nebo rovnoběžnou se směrem větru [m2]

a parametr sklonu pro standardní model turbulence [–]

B počet listů vrtule [–]

C parametr měřítka Weibullova rozdělení [m/s]

C d součinitel odporu [–]

C f součinitel síly [–]

C l součinitel vztlaku [–]

C T součinitel tlaku [–]

Coh koherenční funkce [–]

D průměr rotoru [m]

e r vzdálenost těžiště rotoru od osy natáčení [m]

F síla [N]

F zB síla na list v kořeni listu ve směru podélné osy listu [N]

F x-shaft axiální zatížení rotoru [N]

f kmitočet [s-1]

f k charakteristická hodnota pro pevnost materiálu [–]

G poměr mezi jmenovitým krouticím momentem a momentem při zkratu generátoru [–]

g zrychlení tíže zemské: 9.81 [m/s2]

I B hmotný moment setrvačnosti listu k ose mávání [kg/m2]

I 15 charakteristická hodnota intenzity turbulence ve výšce náboje, při 10minutovém průměrování rychlosti větru 15 m/s [–]

K modifikovaná Besselova funkce [–]

k parametr tvaru Weibullova rozdělení [–]

L integrální parametr měřítka izotropní turbulence [m]

L lt vzdálenost mezi působištěm vztlaku a vrcholem věže [m]

L rt vzdálenost mezi středem rotoru a osou směrového natáčení [m]

L rb vzdálenost mezi středem rotoru a prvním ložiskem [m]

L c parametr měřítka koherence [m]

Lk integrální parametr měřítka složky rychlosti [m]

M xB, M yB ohybové momenty v kořeni listu [Nm]

M brake kroucení nízkootáčkového hřídele způsobené brzdou [Nm]

M x-shaft krouticí moment na hřídeli rotoru v místě prvního ložiska [Nm]

M shaft kombinovaný ohybový moment hřídele u prvního ložiska (nejblíže rotoru) [Nm]

M tower ohybový moment na věži, v místě uchycení zvedacího bodu [Nm]

m B hmota listu [kg]

m overhang hmota věže mezi zvedacím bodem a vrcholem věže [kg]

m r hmota rotoru je hmotou listů a náboje [kg]

m towertop hmota rotoru a gondoly [kg]

N (.) počet cyklů do poruchy jako funkce napětí (nebo prodloužení) určená argumentem(t.j.charakteristická křivka S-N) [–]

N rekurentní perioda pro extrémní situace [roky]

n otáčky rotoru [ot/min]

n i započítaný počet únavových cyklů v zatěžovacím třídním intervalu i [–]

O zlomek provozního času [%]

P elektrický výkon [W]

P R (V 0) Rayleighovo kumulativní pravděpodobnostní rozdělení, tj. pravděpodobnost toho, že V <V 0 [–]

P W (V 0) Weibullovo kumulativní pravděpodobnostní rozdělení [–]

p pravděpodobnost přežití [–]

Q krouticí moment rotoru [Nm]

R poloměr rotoru [m]

R cog radiální vzdálenost mezi těžištěm [m] listu a středem rotoru

r velikost průmětu vektoru [m]

S 1 (f) funkce spektrální výkonové hustoty [m2 /s]

S k jednostranné spektrum složek rychlosti [m2/s]

s i úroveň napětí (nebo prodloužení) vztažená na započtený počet cyklů v třídním intervalu i [–]

T časová charakteristika poryvu [s]

t čas [s]

T d návrhová doba životnosti [h]

T E doba odstávky [h]

T N doba, po kterou není větrná elektrárna schopná provozu [h]

T T celková doba dlouhodobé zkoušky [h]

T U neznámá doba [h]

V rychlost větru [m/s]

V (z) rychlost větru ve výšce z [m/s]

V ave roční průměrná rychlost větru ve výšce náboje [m/s]

V cg extrémní koherentní velikost poryvu v celé průtočné ploše rotoru [m/s]

V design návrhová rychlost větru [m/s]

V eN očekávaná extrémní rychlost větru (průměrovaná během 3 s) při rekurentním časovém intervalu N roků. Ve1 a V e50 pro 1 rok resp. 50 roků [m/s]

V gustN největší velikost poryvu při očekávané rekurentní periodě N roků [m/s]

V hub rychlost větru ve výšce náboje průměrovaná během 10 minut [m/s]

V in rychlost větru pro připojení větrné elektrárny do sítě [m/s]

V max,shutdown maximální rychlost větru, při které výrobce povoluje normální vypnutí větrné elektrárny [m/s]

V 0 mezní rychlost větru v modelu rozdělení rychlosti větru [m/s]

V out rychlost větru při odstavení větrné elektrárny [m/s]

V ref referenční rychlost větru průměrovaná během 10 minut [m/s]

V tip obvodová rychlost špiček listů vrtule [m/s]

V (z, t) podélná složka rychlosti větru použitá pro popis přechodových změn při extrémních poryvech a střihu větru [m/s]

W momenty odporu průřezů, používané v pevnostních výpočtech [m3]

x,z,y souřadnicový systém použitý pro popis rozdělení pole větru v podélném a příčném směru resp. do výšky [m]

z hub výška náboje větrné elektrárny [m]

z r referenční výška nad zemí [m]

z 0 drsnostní délka pro logaritmický profil větru [m]

α exponent pro exponenciální zákon střihu větru [–]

β parametr pro model extrémní změny směru větru [–]

Γ gama funkce [–]

γ f dílčí součinitel bezpečnosti pro zatížení [–]

γ m dílčí součinitel bezpečnosti pro materiál [–]

∆ rozsah [-]

θ (t) přechodová změna směru větru [°]

θ cg úhel maximální odchylky od směru střední rychlosti větru, při poryvových podmínkách [°]

θ eN extrémní změna směru větru během rekurentní doby N roků [°]

η účinnost jednotlivých prvků mezi elektrickým výstupem a rotorem (typicky jsou to generátor, převodová skříň a měnič) [–]

Λ I parametr měřítka turbulence definovaný jako délka vlny, kde bezrozměrová podélná výkonová spektrální hustota, fS 1 (f)/ σ 2 1, je rovna 0,05 [m]

λ rychlostní parametr pro rychlost špiček vrtule [–]

ρ měrná hmota vzduchu 1,225 [kg/m3]

σ 1 směrodatná odchylka podélné rychlosti větru ve výšce náboje [m/s]

σ 2 směrodatná odchylka svislé rychlosti větru ve výšce náboje [m/s]

σ 3 směrodatná odchylka příčné rychlosti větru ve výšce náboje [m/s]

σ d návrhové napětí [MPa]

σ k k-ta složka směrodatné odchylky rychlosti větru ve výšce náboje (k = 1, 2, nebo 3) [m/s]

ω n úhlová rychlost otáčení rotoru [rad/s]

ω yaw úhlová rychlost směrového natáčení [rad/s]

Indexy

ave průměrný

B list vrtule

design vstupní parametr pro použití zjednodušených rovnic při návrhu

e50 extrém jednou za 50 let (průměrovaný po dobu 3 s)

hub náboj vrtule

max maximum

r rotor

shaft hřídel

x ve směru x

y ve směru y

z ve směru z

Zkratky

AC střídavý proud

DC stejnosměrný proud

DLC návrhové případy zatížení

ECD extrémní koherentní poryv se změnou směru větru

ECG extrémní koherentní poryv

EDC extrémní změna směru větru

EMC elektromagnetická kompatibilita

EOG extrémní provozní poryv

EWM model extrémní rychlosti větru

F únava

GFCI pozemní přerušovač obvodu

HAWT větrná elektrárna s vodorovnou osou otáčení rotoru

NWP model normálního profilu větru

NTM model normální turbulence

S speciální třída IEC větrných turbín

SWT malé větrné elektrárny

U mezní

Souřadnicový systém

Pro definici směrů zatížení je používán systém os daný v obrázku 1.

Obrázek 1 – Definice souřadného systému os pro větrnou elektrárnu s vodorovnou osou otáčení:

Věž

x je kladné ve směru větru, z je kladné ve směru nahoru, y doplňuje pravotočivý systém. Souřadnicový systém věže je neměnný.

Hřídel

x-shaft je kladná, když ve směru otáčení vrtule působí okolo osy x kladný moment.y-shaft a z-shaft nejsou používány, použit je pouze kombinovaný moment. Souřadnicový systém hřídele se otáčí spolu s gondolou.

List

x-blade je kladná, když ve směru otáčení vrtule působí okolo osy x kladný moment.

y-blade je kladná, když kladný moment působí ohyb špičky listu ve směru po větru.

z-blade je kladná ve směru ke špičce listu.Nutno poznamenat, že souřadný systém listu sleduje pravotočivou dohodu pro rotor, který se otáčí ve směru hodinových ručiček a levotočivou dohodu pro rotor, který se otáčí proti směru hodinových ručiček z pohledu ve směru větru.Souřadnicový systém listu se otáčí spolu s rotorem.

Základní úvahy Všeobecně

V následujících kapitolách jsou uvedeny inženýrské a technické požadavky, které zajišťují bezpečnost konstrukce, mechanického, elektrického a řídicího systému větrné elektrárny. Tato specifikace požadavků je použita při návrhu, výrobě, instalaci a údržbě větrné elektrárny a při řízení přidruženého procesu zajišťování kvality.

Návrhové metody Zajištění jakosti

Zajištění jakosti musí být integrální součástí návrhu, dodávky, výroby, instalace, provozu a údržby větrné elektrárny a všech jejich součástí.

Doporučuje se, aby systém jakosti odpovídal požadavkům souboru ISO 9000 .

Obrázek 2 – Vývojový diagram:

Vnější podmínky Všeobecně

Malé větrné elektrárny jsou vystaveny vlivům okolního prostředí a elektrickým podmínkám, které mohou ovlivnit jejich zatížení, trvanlivost a provoz. Pro zajištění přiměřené úrovně bezpečnosti a spolehlivosti musí být při návrhu vzaty v úvahu vlivy okolního prostředí, elektrické a půdní podmínky a tyto podmínky musí být uvedeny v návrhové dokumentaci.

Podmínky okolního prostředí se dále dělí na větrné podmínky a jiné podmínky okolního prostředí. Elektrické podmínky informují o podmínkách elektrické sítě nebo místních elektrických podmínkách, jako jsou baterie, hybridní systémy nebo místní síť. Půdní vlastnosti jsou důležité pro návrh základů větrné elektrárny.

Větrné podmínky jsou základní podmínky, které určují konstrukční řešení. Ostatní podmínky okolního prostředí rovněž ovlivňují návrhové charakteristiky, například funkci řídicího systému, trvanlivost, korozi atd.

Každý typ vnějších podmínek se dělí na normální a extrémní. Normální vnější podmínky obecně zahrnují dlouhodobé zatížení konstrukce a provozní podmínky, zatímco extrémní vnější podmínky představují zřídka se vyskytující, ale potenciálně kritické vnější návrhové podmínky. Návrhové případy zatížení musí obsahovat kombinaci těchto kritických podmínek s provozními režimy.

Třídy malých větrných elektráren

Vnější podmínky, které musí být vzaty v úvahu při návrhu, závisí na zamýšleném místě instalace nebo na typu místa výstavby malé větrné elektrárny. Třídy malých větrných elektráren jsou definovány v závislosti na rychlosti větru a parametrech turbulence. Účelem dělení do tříd je snaha pokrýt většinu míst výstavby. Hodnoty rychlosti větru a parametry turbulence slouží k tomu, aby představovaly charakteristické hodnoty z různých míst instalace větrných elektráren a upřesnily reprezentaci kteréhokoliv specifického místa. Cílem klasifikace malých větrných elektráren je dosáhnout toho, aby změna velikosti byla jasně definována rychlostí větru. Tabulka 1 specifikuje základní parametry, které definují jednotlivé třídy malých větrných elektráren.

Pro případ, že je potřebný speciální návrh ( například pro speciální větrné nebo jiné vnější podmínky, nebo speciální bezpečnostní třídu), je vytvořena další třída malých větrných elektráren, třída S. Návrhové hodnoty pro malé větrné elektrárny třídy S musí být zvoleny konstruktérem a specifikovány v návrhové dokumentaci. Při takovém speciálním návrhu musí zvolené hodnoty návrhových podmínek odrážet přísněji okolní prostředí než běžné podmínky pro malé větrné elektrárny.

Zvláštní vnější podmínky definované pro třídy I, II, III a IV nepokrývají podmínky v pobřežních vodách ani větrné podmínky zjištěné při tropických bouřích, jako jsou hurikány, cyklony a tornáda. Tyto podmínky vyžadují návrh větrné elektrárny třídy S.

Tabulka 1 – Základní parametry pro třídy malých větrných elektráren

Třída malé větrné elektrárny I II III IV S
V ref (m/s) 50 42,5 37,5 30 Hodnoty musí být specifikovány konstruktérem VE
V ave (m/s) 10 8,5 7,5 6
I 15 (–) 0,18 0,18 0,18 0,18
A (–) 2 2 2 2
kde
• použijte hodnoty ve výšce náboje, a
I 15 je bezrozměrová charakteristická hodnota intenzity turbulence při 15 m/s,
a je bezrozměrový parametr použitý v rovnici (7).

Kromě těchto základních parametrů jsou při návrhu požadovány další důležité parametry, které zcela specifikují vnější podmínky používané při návrhu malé větrné elektrárny. V případě malých větrných elektráren tříd I až IV, které odpovídají standardní třídě malých větrných elektráren, jsou hodnoty těchto přídavných parametrů specifikovány.

Zkratky uvedené v závorkách v označení nadpisu článků jsou použity pro popis větrných podmínek pro návrhové zatěžovací případy

POZNÁMKA pro jednoduché zatěžovací případy jsou rovněž zjednodušeny větrné podmínky.

Pro malé větrné elektrárny třídy S musí výrobce v návrhové dokumentaci popsat použitý model situace a uvést hlavní návrhové parametry. Pokud jsou akceptovány modely uvedené v současném článku, stanovení hodnot parametrů je dostatečné.

V návrhové dokumentaci musí být jasně specifikována životnost větrné elektrárny.

Větrné podmínky Všeobecně

Malá větrná elektrárna musí být navržena tak, aby bezpečně vydržela větrné podmínky definované pro zvolenou třídu malé větrné elektrárny. Návrhové hodnoty větrných podmínek musí být jasně specifikovány v návrhové dokumentaci. Větrný režim pro zatěžovací a bezpečnostní předpoklady je dělen na normální větrné podmínky, které často vzniknou během normálního provozu malé větrné elektrárny a na extrémní větrné podmínky, které mají dobu výskytu jednou za 1 rok, nebo jednou za 50 roků.

Ve všech případech musí být uvažován odklon středního proudu větru od horizontální roviny o 8°.Odklon proudu vzduchu může být uvažován jako neměnný s výškou.

POZNÁMKA Šikmé proudění může mít účinek na sklápění, pokud směr sklápění je volen v nedostatečné míře vzhledem k ose rotace rotoru.

Normální větrné podmínky Rozdělení rychlosti větru

Rozdělení rychlosti větru v místě instalace je pro návrh malé větrné elektrárny významné, protože určuje četnost vzniku jednotlivých zatěžovacích podmínek. V případě standardních tříd malých větrných elektráren musí být pro návrhové výpočty uvažována střední hodnota rychlosti větru během desetiminutové periody podle Rayleighova zákona rozdělení pravděpodobnosti. V tomto případě je kumulativní rozdělení pravděpodobnosti ve výšce náboje dáno rovnicí:

PR (Vhub) = 1 – exp (– π(Vhub/2Vave)2) (5)

Model normálního profilu větru (NWP)

Profil rychlosti větru vyjadřuje závislost střední rychlosti větru jako funkci výšky z nad zemí. U normální třídy větrných elektráren musí profil rychlosti větru odpovídat exponenciálnímu zákonu:

V(z) = Vhub (z/zhub)α (6)

Exponent α musí být uvažován α = 0,2.

Uvažovaný profil větru je použit pro definování střihu střední rychlosti větru v průtočné ploše rotoru.

Normální model turbulence (NTM)

Normální model turbulence musí zahrnovat střih větru, tak jak je popsán v NWP. Výraz "turbulence větru“ označuje stochastické změny rychlosti větru od průměru 10 m/s. Turbulentní model musí zahrnovat účinek proměnlivé rychlosti větru, proměnlivý směr a rotační vzorkování. Pro standardní třídy malých větrných elektráren musí spektrální výkonová hustota vektorového pole rychlosti větru, ať použije nebo ne explicitní model, vyhovovat následujícím požadavkům:

  1. Charakteristická hodnota směrodatné odchylky složky podélné rychlosti větru musí být dána rovnicí 1 :

    (7) σ1 = I15 (15 + aVhub)/(a +1)

    Hodnoty I 15 a a jsou dány v tabulce 1. Charakteristické hodnoty směrodatné odchylky σ 1 a intenzity turbulence σ 1 / V hub jsou ukázány v obrázku 3.

    Obrázek 3 – Charakteristika turbulence větru:

  2. Směrem ke konci vysokofrekvencčního setrvačního podrozsahu spektrální výkonové hustoty podélných složek turbulence S 1 (f) musí asymptotické přiblížení mít tvar:

    S1(f) = 0,05(σ1)21/Vhub)-2/3f-5/3 (8)

    Parametr měřítka turbulence 1 musí být dán rovnicí:

    Λ1 = { 0,7zhub  pro zhub  < 30 m (9)
    21 m   pro zhub  ≥ 30 m

Tento deterministický model může být použit tehdy, když může být prokázáno, že odezva listu na rotačně vzorkovanou rychlost větru je dostatečně dobře tlumena.

Extrémní větrné podmínky Všeobecně

Extrémní větrné podmínky jsou používány pro určení extrémního zatížení malých větrných elektráren. Tyto podmínky zahrnují spičkové rychlosti větru při bouřích a rychlých změnách rychlosti a směru větru. Tyto extrémní podmínky zahrnují potenciální účinek turbulence větru, takže pro návrhové výpočty je uvažován pouze deterministický účinek.

Model extrémní rychlosti větru (EWM)

Extrémní rychlost větru pro 50 roků V e50 a extrémní model větru pro 1 rok V e1 musí být založeny na referenční rychlosti větru V ref. Pro návrhy malých větrných elektráren standardních tříd V e50 a V e1 musí být vypočteny použitím následujících rovnic:

Ve50(z) = 1,4 Vref(z/zhub)0,11 (10)

Ve1 = 0,75 Ve50 (11)

kde z hub je výška náboje.

Musí být uvažovány krátkodobé výchylky střední rychlosti větru ze směru ±15°.

Extrémní provozní poryv (EOG)

Velikost poryvu ve výšce náboje V gustN pro rekurentní periodu N roků musí být pro standardní třídy malých větrných elektráren dána následujícím vztahem:

kde

σ1 je směrodatná odchylka podle rovnice (7);

Λ 1 parametr měřítka turbulence podle rovnice (9);

D průměr rotoru;

β = 4,8 pro N = 1; a

β = 6,4 pro N = 50.

Rychlost větru musí být pro rekurentní periodu N roků definována rovnicí:

kde

V (z) je definována v rovnici (6);

T = 10,5 s pro N = 1; a

T = 14,0 s pro N = 50.

Příklad extrémního poryvu pro rekurentní periodu 1 rok a V hub = 25 m/s je uveden na obrázku 4:

Obrázek 4 – Příklad extrémního provozního poryvu (N = 1, V hub = 25 m/s):

Parametrické hodnoty pro obě rekurentní periody byly voleny tak, aby daly stejný maximální poměr nárůstu.

Extrémní změna směru větru (EDC)

Velikost extrémní změny směru větru, θ eN pro rekurentní periodu N roků, musí být vypočtena použitím následujícího vztahu:

kde

θ eN je omezeno na interval ± 180°;

Λ 1 parametr měřítka turbulence podle rovnice (9);

D průměr rotoru;

β = 4,8 pro N =1;

β = 6,4 pro N =50.

Extrémní přechodná změna směru větru pro periodu N roků, θ eN (t), musí být vypočtena z rovnice:

kde T = 6 s je doba působení extrémní změny směru. Znaménko musí být voleno tak, aby vzniklo největší zatížení. Po ukončení přechodné změny směru se předpokládá, že směr zůstává nezměněn.

Příklad extrémní změny směru větru s rekurentní periodou 50 roků a V hub = 25 m/s je na obrázku 5 a obrázku 6.

Obrázek 5 – Příklad extrémní velikosti změny směru (N = 50, D = 5 m, z hub = 20 m)

Obrázek 6 – Příklad extrémní změny směru (N = 50, V hub = 25 m/s)

Extrémní koherentní poryv se změnou směru (ECG)

Pro návrh malé větrné elektrárny standardní třídy musí být uvažován extrémní koherentní poryv s velikostí V cg = 15 m/s. Rychlost větru musí být definována vztahy:

kde T = 10 s je čas nárůstu. Musí být použit model normálního profilu rychlosti větru a rychlost větru tak, jak je specifikována v rovnici (6). Extrémní koherentní poryv je ukázán na obrázku 7 pro V hub = 25 m/s.

Obrázek 7 – Příklad extrémního koherentního poryvu (V hub = 25 m/s) (ECG):

Extrémní koherentní poryv se změnou směru (ECD)

V tomto případě nárůst rychlosti větru (popsaný v ECG viz obrázek 7) musí být uvažován současně se změnou směru θ cg, kde θ cg je definována vztahy:

Změna směru větru θ cg, jako funkce V hub a jako funkce času, je pro V hub = 25 m/s ukázána na obrázku 8 a 9.

Obrázek 8 – Změna směru pro ECD:

Obrázek 9 – Časový vývoj změny směru pro V hub = 25 m/s:

Současná změna směru je potom dána rovnicí:

Další extrémní podmínky okolního prostředí Všeobecně

Vlivy okolního prostředí (klimatické podmínky), jiné než rychlost větru, mohou ovlivnit bezpečnost a celistvost malé větrné elektrárny fotochemickými, korozívními, mechanickými, elektrickými nebo jinými fyzikálními účinky. Kombinace klimatických podmínek může navíc zvýšit jejich účinek. Přinejmenším musí být uváženy následující další podmínky okolního prostředí a jejich účinek musí být uveden v návrhové dokumentaci:

  • teplota;

  • vlhkost;

  • hustota vzduchu;

  • sluneční záření;

  • déšť, krupobití, sníh a led;

  • chemicky působící látky;

  • mechanicky působící částice;

  • blesky;

  • zemětřesení;

  • mořské prostředí – koroze.

Mořské prostředí v pobřežních vodách vyžaduje další podmínky. Klimatické podmínky, které byly vzaty v úvahu, musí být definovány jako reprezentativní hodnoty, nebo jako meze proměnlivých podmínek. Při volbě návrhových hodnot musí být vzata v úvahu pravděpodobnost současného výskytu klimatických podmínek.

Proměnlivost klimatických podmínek v rozmezí normálních mezí, odpovídajících 1 ročnímu rekurentnímu časovému úseku, nesmí být v rozporu s návrhovým normálním provozem malé větrné elektrárny. Pokud mezi nimi existuje korelace, musí být kombinovány extrémní podmínky okolního prostředí s normálními větrnými podmínkami.

Další normální podmínky okolního prostředí

Mezi další normální podmínky okolního prostředí, které musí být vzaty v úvahu, patří:

  • normální provoz systému při rozsahu okolních teplot od –10 °C do +40 °C;

  • relativní vlhkost do 95 %;

  • atmosférický obsah znečistění ve srovnání s neznečistěnou atmosférou (viz IEC 60721-2-1);

  • intenzita sluneční radiace 1 000 W/m2 ; a

  • hustota vzduchu 1,225 kg/m3.

Jestliže konstruktér uvede další parametry vnějších podmínek, musí být tyto parametry a jejich hodnoty uvedeny v návrhové dokumentaci a musí vyhovovat požadavkům IEC 60721-2-1.

Další extrémní podmínky okolního prostředí Všeobecně

Dalšími extrémními podmínkami okolí, které musí být vzaty v úvahu při návrhu malé větrné elektrárny, jsou teplota, blesk, led a zemětřesení.

Teplota

Návrhové hodnoty pro rozsah extrémních teplot pro standardní třídu malých větrných elektráren musí být nejméně od –20 °C do +50 °C.

Blesk

Pro standardní třídu malých větrných elektráren mohou být jako odpovídající považovány podmínky pro ochranu před bleskem.

Led

Pro standardní třídy malých větrných elektráren nejsou stanoveny minimální požadavky na tloušťku ledu.

V případě, že výrobce chce do návrhových mechanických zatížení zahrnout zatížení od ledu, doporučuje se uvažovat 30 mm tloušťku ledu s měrnou hmotou 900 kg/m3 po celé ploše. Toto statické zatížení se kombinuje s odporovým zatížením na zaparkované větrné elektrárně při rychlosti větru 3 V ave. Zatížení ledem, včetně kotevních lan, mají být uváženy při návrhových zatíženích nosné konstrukce.

Zemětřesení

Pro standardní třídy malých větrných elektráren nejsou stanoveny minimální požadavky na sílu zemětřesení.

Elektrické zatěžovací podmínky Všeobecně

Elektrické podmínky, které mají být uváženy při návrhu, závisí na použití větrné elektrárny.

Normální podmínky na terminálu větrné elektrárny jsou uvedeny níže. Normální podmínky elektrické sítě jsou použity tehdy, když následující parametry leží v mezích níže stanovených:

Pro větrné elektrárny zapojené do veřejné elektrické sítě Normální elektrické podmínky

  • Napětí

    Jmenovitá hodnota (podle IEC 60038) -10 %;

  • Kmitočet

    Jmenovitá hodnota -2 %;

  • Nesymetrie napětí

    Poměr záporné následující složky napětí ke kladné následující složce nesmí být větší než 2 %;

  • Cykly OZ
    Perioda cyklů OZ je od 0,2 s do 5,0 s pro první OZ a od 10 s do 90 s pro následné OZ;

  • Výpadky
    Musí být uváženo, že nastanou výpadky elektrické sítě dvacetkrát za rok. Jako normální podmínka musí být uvážen výpadek po dobu 24 hodin.

Extrémní elektrické podmínky

Přinejmenším musí být při návrhu uváženy následující extrémní podmínky elektrické sítě:

  • napětí – odchylka od jmenovité hodnoty ± 20 %;

  • kmitočet – jmenovitá hodnota ±10 %;

  • nesymetrie napětí 15 %;

  • symetrické a nesymetrické poruchy; a

  • výpadky – výpadek do 1 týdne musí být považován za extrémní podmínku.

Pro větrné elektrárny, které nejsou připojeny k veřejné elektrické síti Větrné elektrárny nabíjející baterie

Větrná elektrárna musí být schopna pracovat v celém rozsahu níže uvedených napětí baterie:

  • napěťový rozsah –15 % nebo +30 % jmenovitého napětí (příklad 12 V, 24 V, 36 V, atd.); nebo

  • 5 % nad horní a dolní nastavenou hodnotou nabíjecího zařízení.

Místní síť

U větrných elektráren připojených na místní síť, nepřipojených k veřejné elektrické síti se dají očekávat větší změny napětí a kmitočtů. Systém větrné elektrárny musí být schopný pracovat při následujících omezeních:

  • napětí: odchylka od jmenovité hodnoty ±15 %; a

  • jmenovitý kmitočet: ± 5 Hz.

Konstrukční návrh Všeobecně

Konstrukční návrh větrné elektrárny musí být založen na ověření konstrukční celistvosti dílů při kritickém mechanickém zatížení počínaje rotorovými listy až po základy. Mezní a únavová pevnost konstrukčních prvků musí být ověřena výpočtem a/nebo zkouškou tak, aby se prokázala konstrukční celistvost malé větrné elektrárny při přiměřené úrovni bezpečnosti.

Pevnostní výpočty musí být založeny na ISO 2394, nebo ekvivalentu, pokud je k dispozici.

Metodika navrhování

Musí být ověřeno, že při návrhu větrné elektrárny nejsou překročeny mezní stavy konstrukce.

Existují tři cesty pro určení návrhových mechanických zatížení větrné elektrárny:

  • zjednodušené rovnice mechanických zatížení

  • aeroelastické modelování

  • mechanické zatěžovací zkoušky

Zatížení a zatěžovací případy

Musí být uvažovány následující druhy zatížení.

Vibrace, setrvačná a gravitační zatížení

Setrvačná a gravitační zatížení jsou statická a dynamická zatížení, působící na malou větrnou elektrárnu jako výsledek setrvačných, gyroskopických, vibračních, rotačních sil, účinku gravitace a seismické aktivity (nebo pohybu základové konstrukce, jako jsou lodě atd.).

Pozornost musí být věnována vybuzení vlastního kmitočtu systému větrné elektrárny.

Aerodynamická zatížení

Aerodynamická zatížení jsou statická a dynamická zatížení, vyvolaná proudem vzduchu a jeho interakcí s nepohybujícími i pohybujícími se částmi malé větrné elektrárny. Proud vzduchu musí být uvažován jako závislý na rychlosti otáčení rotoru, na rychlosti větru a turbulencí v rovině rotoru, na hustotě vzduchu a na aerodynamických tvarech částí větrné elektrárny a jejich interaktivních účincích, včetně aeroelastických účinků.

Provozní zatížení

Provozní zatížení vznikají z provozu a řízení větrné elektrárny. Provozní zatížení mohou být způsobena směrovým natáčením, změnou úhlu nastavení listů, zatížením od mechanického brzdění, sklápěním, připojením na síť, atd.

Další zatížení

Všechna zatížení, která mohou vzniknout následkem zvláštního provozního prostředí specifikovaného výrobcem, musí být rovněž vzata v úvahu (například zatížení od vln, poryvů, ledu, dopravy, montáže, údržby a oprav atd.).

Zatěžovací případy

Zjednodušený model mechanického zatížení

Tabulka 2 – Návrhové případy zatížení pro metodu zjednodušeného výpočtu zatížení:

                             
Návrhová situaceZatěžovací případy Vstupující vítr Druh analýzy Poznámka
Výroba energie A Normální provozF *)
B Směrové natáčení V hub = V design U *)
C Chybné natočení V hub = V design U
D Maximální tlak V hub = 2,5 V ave U Rotor ve volnoběhu, ale může být sklopený nebo flastrující
Výroba energie plus vznik poruchy E Maximální otáčkyU
F Zkrat při připojení zatížení V hub = V design U Maximální kroucení při zkratu generátoru
Zastavení G Zastavení (brzdění) V hub = V design U
Parkování (volnoběh nebo úplné zastavení) H Parkování se zatížením větrem V hub = V e50 U
Parkování a poruchové podmínky I Zatížení větrem při parkování, maximální vystavení větru V hub = V ref U Větrná elektrárna je zatížena v nejnevýhodnějším vystavení se větru
Doprava, montáž, údržba a oprava J Musí být určeno výrobcemU

Pokud je to požadováno při specifickém návrhu malé větrné elektrárny, musí být pro její bezpečnost použity i jiné relevantní zatěžovací případy.

Zatěžovací případ A: Normální provoz

Návrhové zatížení pro "normální provoz“ je únavové zatížení. Tento zatěžovací případ předpokládá konstantní únavové zatížení listů vrtule a hřídele, níže uvedeným zatížením. Rozsah zatížení se uvažuje v únavové terminologii vrchol-vrchol. Střední hodnota může být ignorována:

Zatížení listů:

∆FzB = 2mBRcogω2n,design (21)

∆MsB = Qdesign + 2mBgRcog (22)
B
DMyB = ΛdesignQdesign (23)
B

Únavové zatížení listu vrtule by mělo být uvažováno jako působící v místě připojení kořene aerodynamicky profilované části listu, nebo u kořene v místě náboje, podle toho, která část je rozhodující z hlediska nejnižší pevnosti. Vypočtená zatížení jsou kombinací odstředivého zatížení (F zB) a ohybových momentů (M xB a M yB).

Zatížení hřídele:

                                ∆Fx-shaft =                                        3 λdesignQdesign     (24)
2 R

∆Mx-shaft = Qdesign + 2mrger (25)

∆Mshaft = 2mrgLrb + R ∆Fx-shaft (26)
6

kde e r = 0,005 R, pokud v návrhové dokumentaci není dokázáno, že zdůvodnitelná je nižší hodnota.

Únavové zatížení na hřídel rotoru musí být uvažováno jako působící na hřídel rotoru v místě prvního ložiska (nejbliže k rotoru). Rozsah napětí musí být vypočítán z kombinace zatížení od tlaku (F x-shaft), krouticího momentu (M x-shaft) a ohybového momentu hřídele (M shaft).

Zatěžovací případ B: Směrové natáčení

Pro tento zatěžovací případ musí být zatížení na mezi únosnosti (gyroskopické síly a momenty) počítány za předpokladu maximální úhlové rychlosti směrového natáčení ωyaw,max při otáčkách n design..

Pro pasivní systém směrového natáčení je maximální úhlová rychlost natáčení dána následující rovnicí:

(27) ωyaw,max = 3 – 0,01 (πR2 – 2)

Pro všechny větrné elektrárny s průtočnou plochou rotoru menší než 2 m2 je maximální úhlová rychlost směrového natáčení 3 rad/s.

Pro aktivní systém směrového natáčení musí být maximální úhlová rychlost směrového natáčení určena měřením v klidném větru. Když je očekáváno že maximální úhlová rychlost vznikne za speciálních podmínek, jako je nouzové vychýlení ze směru větru při vysoké úhlové rychlosti, potom úhlová rychlost musí být měřena za těchto podmínek.

Zatížení listu vrtule ohybovým momentem M yB a hřídele ohybovým momentem M shaft musí být vypočtena použitím následujících rovnic:

(28) MyB = mBω2yawLrtRcog + 2ωyawIBωn + R ∆Fx-shaft  
9

F x-shaft je dáno rovnicí 24.

Pro hřídel závisí zatížení na počtu listů vrtule.

Pro dvoulistý rotor:

Mshaft = 4ωyawωnIB + mrgLrb + R ∆Fx-shaft         (29)
6

Pro tří nebo vícelistý rotor:

                              Mshaft = BωyawωnIB + mrgLrb +                            R ∆Fx-shaft  (30)
6

Zatěžovací případ C: Chybné směrové natočení

Všechny větrné elektrárny pracují s určitou chybou v nastavení směru. V tomto zatěžovacím případě je uvažovaná chyba v nastavení směru 30°.

Klopivý ohybový moment způsobený chybným nastavením směru je dán rovnicí (31)

Pokud není k dispozici maximální součinitel vztlaku C l,max, musí se použít hodnota C l,max = 2,0.

Zatěžovací případ D: Maximální tlak

Malá větrná elektrárna může být vystavena velikým tlakovým zatížením, která působí na rotor. Tlakové zatížení působí rovnoběžně s hřídelem rotoru a jeho maximální hodnota je dána rovnicí:

Fx-shaft = CT3,125ρV2aveπR2 (32)

kde C T je součinitel tlaku C T = 0,5.

Zatěžovací případ E: Maximální otáčky

Zatížení od odstředivých sil v kořeni listu F zB a ohybový moment hřídele M shaft od odstředivých sil a nevývahy musí být vypočteny podle níže uvedených rovnic. Maximálně možné otáčky rotoru ω n,max = (π /30) n max musí být odvozeny z měření.

(33)            FzB = mBω2n,maxRcog

(34)       Mshaft = mrgLrb + mrerω2n,maxLrb

Zatěžovací případ F: Elektrický zkrat při zatížení

V případě přímého elektrického zkratu na výstupu z malé větrné elektrárny, nebo zkratu generátoru, působí na hřídel rotoru v důsledku zkratu alternátoru krouticí moment. Pokud nejsou k dispozici jiná ověřená data, je jako krouticí moment působící na rotor uvažována hodnota dvojnásobku Q design.

(35) Mx-shaft = GQdesign

Pokud nejsou k dispozici jiná ověřená přesnější data, musí být G = 2,0.

(36)                                           MxB = Mx-shaft
B

Zatěžovací případ G: Zastavení (brzdění)

U větrných elektráren s mechanickým nebo elektrickým brzdicím systémem na hnacím hřídeli může brzdicí moment být větší než maximální hnací moment. V těchto případech musí být použit při návrhu malé větrné elektrárny brzdicí moment M brake odvozený ze zkoušek nebo z výpočtů. Maximální krouticí moment hřídele je roven brzdicímu momentu plus návrhový hnací moment (to předpokládá, že brzda je použita současně v okamžiku, kdy generátor dodává návrhový krouticí moment).

Mx-shaft = Mbrake + Qdesign (37)

V případě, že brzda působí na vysokootáčkový hřídel, musí být M brake násoben součinitelem převodu.

Zatížení listu během brzdění je určeno z krouticího momentu hřídele a hmoty listu. Odtud:

MxB =                 Mx-shaft + mBgRcog (38)
B

kde M x-shaft je krouticí moment hřídele podle rovnice (37).

Když má větrná elektrárna převodovku a brzda působí na vysokootáčkovém hřídeli, musí být pro zahrnutí dynamického účinku převodu krouticí moment hřídele zvětšen. Pokud nejsou k dispozici jiná ověřená přesnější data, musí být krouticí moment zvětšen dvakrát.

Zatěžovací případ H: Parkování při zatížení větrem

V tomto zatěžovacím případě je větrná elektrárna zaparkována normálním způsobem. Zatížení na exponované části malé větrné elektrárny musí být vypočtena za předpokladu působení rychlosti větru V e50.

Pro větrné elektrárny, které budou zaparkovány, je rozhodujícím ohybový moment v kořeni listu vyvolaný odporem vzduchu definovaným jako:

                                 MyB = Cd                                        1 ρV2e50Aproj,BR (39)
4

kde

C d je součinitel odporu, kterého hodnota se musí rovnat C d =1,5; a

A proj,B plocha listu.

Pro větrné elektrárny, u kterých se rotor při V e50 otáčí volnoběžnými otáčkami, se očekává, že na některém místě na listu vrtule je dosaženo v důsledku změn směru větru C l,max. Potom ohybový moment v kořeni listu je:

 (40) MyB = Cl,max                                         1 ρV2e50Aproj,BR
6

Pokud nejsou k dispozici jiná ověřená data, musí být použita hodnota C l,max = 2,0.

Pro tlakové zatížení:

Pro zaparkovaný rotor je tlakové zatížení hřídele vypočteno z rovnice (41).

                                          (41) Fx-shaft = B x Cd                                           1 ρV2e50Aproj,B
2

Pro rotor ve volnoběhu je tlaková síla dána rovnicí:

(42) Fx-shaft = 0,17BAproj,Bλ2e50ρV2e50

kde λe50 je rychloběžnost při V e50, která, když není známá, může být odhadnuta pomocí:

                     (43) λe50 = nmaxπR
30Ve50

Maximální ohybový moment věže musí být vypočten pomocí tlakové síly vypočtené buď podle rovnice (41) nebo (42) (závisí to na návrhu větrné elektrárny). Odporovou, nebo vztlakovou sílu na věž a gondolu je při tom nutno vzít v úvahu. Pro výpočet těchto sil musí být použita rovnice (44). Pro volně stojící věž vznikne maximální ohybový moment u základny věže. U kotvené věže vznikne maximální ohybový moment v místě uchycení kotevního lana.

Síla pro každou část větrné elektrárny je dána rovnicí:

                     F = Cf               1 ρV2e50Aproj(44)
2

kde

C f je součinitel síly (viz tabulka 3); a

A proj průmět plochy prvku do směru kolmého ke směru větru.

Ze sil působících na jednotlivé prvky, listy, hřídel a věž, musí být vypočteno celkové zatížení.

Zatěžovací případ I: Zatížení větrem při parkování, maximální vystavení větru

V případě poruchy mechanizmu směrového natáčení může být malá větrná elektrárna vystavena větru ze všech stran. Proto z důvodu návrhu musí být síly na listy, gondolu, věž a ocasní plochu (pokud je použita) počítány pro všechny možné směry, včetně větrů z přední i zadní strany rotoru.

Síla na jednotlivé části větrné elektrárny je dána rovnicí:

                                                F = Cf 1 ρV2refAproj (45)
2

kde

C f je součinitel síly, který může být výsledkem vztlaku a odporu; a

A proj plocha prvku (v nejméně příznivé poloze), která je úměrná součiniteli síly. Pro hranatá (nebo drsná) tělesa (například kryty gondoly a sekce věže) je plocha průmětem jejich plochy do směru kolmého ke směru větru. Pro aerodynamické tvary musí být plocha rovinnou plochou.

Tabulka 3 – Součinitele síly C f :

 
Charakteristická délka < 0,1 m 1,3 1,3 1,5 1,5 1,5 2,0
Charakteristická délka > 0,1 m 0,7 1,2 1,5 1,5 1,5 2,0

Zatěžovací případ J: Doprava, montáž, údržba a oprava

Výrobce musí uvažovat zatížení působící na větrnou elektrárnu během dopravy, montáže, instalace, údržby a opravy. Příklady takového zatížení jsou:

  • gravitační zatížení působící během dopravy na větrnou elektrárnu, která je v jiné poloze než ve vertikální;

  • zatížení způsobená speciálním instalačním nářadím;

  • zatížení způsobená větrem během instalace;

  • zatížení způsobená upevněním větrné elektrárny k základu;

  • zatížení při nakloněné věži při zvedání; a

  • zatížení nosné konstrukce způsobené zvedáním.

Jako příklad je pro výpočet zatížení během zvedání věže uvedena rovnice.

kde

M tower je ohybový moment věže v místě uchycení zvedacího lana [Nm];

m towertop hmota gondoly a rotoru [kg];

m overhang hmota věže v úseku mezi zvedacím bodem a vrcholem věže [kg]; a

L lt vzdálenost mezi zvedacím bodem a vrcholem věže [m].

Rovnice (46) je založena na následujících předpokladech:

  • zesilovací součinitel dynamické odezvy se rovná 2,0;

  • těžiště turbíny je v ose rotou; a

  • maximální ohybový moment vzniká, když je věž ve vodorovné poloze.

Aeroelastické modelování Všeobecně

V případě, že návrhová zatížení jsou určena pomocí aeroelastického modelování, musí být návrhové případy zatížení uváženy podle následujícího článku. Minimální počet návrhových zatěžovacích případů je dán v tabulce 4. V této tabulce jsou návrhové zatěžovací případy specifikovány pro každou návrhovou situaci popisem větrných, elektrických a dalších vnějších podmínek. Aby se v zatěžovacích případech vyhodnocených pomocí rychlosti větru identifikovaly nejhorší zatěžovací případy, ve kterých je dán rozsah rychlosti větru, musí být zatěžovací případy vyhodnoceny pro celý rozsah rychlostí větru.

Pokud je to pro návrh specifických větrných elektráren vyžadováno, musí být uvažovány i jiné relevantní návrhové zatěžovací případy.

Pro každou návrhovou situaci je odpovídající typ analýzy označen v tabulce 4 písmeny "F“ a "U“. "F“ odpovídá analýze na únavové zatížení, které musí být použito při odhadu únavové pevnosti. "U“ odpovídá analýze na mezní zatížení odpovídající analýze na překročení maximální pevnosti materiálu, analýze deformace špiček vrtule a analýze na stabilitu.

Tabulka 4 – Minimální počet návrhových zatěžovacích případů pro aeroelastický model:

                     
Návrhová situace DLC Větrné podmínky Další podmínky Druh analýzy
1) Výroba energie 1.1 NTM V in <V hub <V out nebo 3 V ave F, U
1.2 ECD V hub <V design U
1.3 EOG50 V in <V hub <V out nebo 3 V ave U
1.4 EOG50 V in <V hub <V out nebo 3 V ave U
1.5 ECG V hub = V design U
2) Výroba energie plus vznik poruchy systému 2.1 NWP V hub = V design nebo V out nebo 2,5 V ave Chyba řídicího systému U
2.2 NTM V in <V hub <V out V e1 Chyba řídicího nebo ochranného systému F, U
2.3 EOG1 V in <V out nebo 2,5 V ave Ztráta elektrického připojení U
3) Normální zastavení 3.1 NTM V in <V hub <V out F
3.2 EOG1 V hub = V out nebo V max, shutdown U
4) Nouzové nebo ruční zastavení 4.1 NTM Stanoveno výrobcemU
5) Parkování (úplné zastavení nebo volnoběh) 5.1 EWM V hub = V e50 Možná ztráta připojení k elektrické síti U
5.2 NTM Vhub < 0,7 V ref F
6) Parkování a poruchová podmínka 6.1 EWM V hub = V e1 U
7) Doprava, montáž, údržba a oprava 7.1 Stanoveno výrobcemU

Výroba energie (DLC 1.1 – 1.5)

V tomto zatěžovacím případu je běžící větrná elektrárna připojena do elektrické zátěže. Pro uvažované uspořádání větrné elektrárny musí být vzata v úvahu nevyváženost rotoru. Maximální hmotová a aerodynamická nevyváženost (například odchylky od úhlu nastavení listu a zkroucení), specifikované pro výrobce rotoru, musí být při návrhových výpočtech vzaty v úvahu.

Navíc musí být při analýze provozních zatížení vzaty v úvahu odchylky od teoreticky optimálních provozních situací, jako jsou chyby při směrovém natočení a chyby řídicího systému.

Ve výpočtech musí být uváženy nejhorší kombinace podmínek, například změna směru větru spolu s charakteristickou chybou směrového natočení, v návrhovém případu (DLC) 1.4. Návrhové zatížení v případu 1.1 zahrnuje požadavky pro zatížení, které je způsobeno atmosférickou turbulencí. DLC 1.2 až 1.5 specifikují přechodové případy, které byly zvoleny jako potenciálně kritické události v životě větrné elektrárny.

Výroba energie současně se vznikem poruchy (DLC 2.1 – 2.3)

Během výroby elektrické energie musí být uvážena jakákoliv porucha v řídicím a ochranném systému, nebo interní porucha elektrického systému, která je významná pro mechanické zatížení větrné elektrárny (jako je například zkrat v generátoru). Pro případ DLC 2.1 musí být analyzován vznik poruchy v řídicím systému, což je považováno jako normální událost. V DLC 2.2 musí být vyhodnocen výskyt poruch v ochranném systému nebo vnitřních elektrických systémech, které nemusí způsobit okamžité zastavení, ale mohou vést k významnému únavovému poškození konstrukčních prvků mechanickými silami.

V návrhovém případu 2.3 musí být jednoroční extrémní provozní poryv kombinován s přerušením elektrického připojení.

Pro pasivně kontrolované větrné elektrárny jsou příkladem pro poruchy řídicího systému:

  • poškozený systém sklápění (například uzamčení sklopení ocasní plochy) (pokud systém sklápění není definován jako bezpečný proti poruše); a

  • porušený systém natáčení listů (pokud systém natáčení listů není definován jako bezpečný proti poruše).

Vyhodnocení únavového případu pro kteroukoliv jednotlivou poruchu systému větrné elektrárny pro minimálně 24 h/rok.

Normální zastavení (DLC 3.1 – 3.2)

Tento zatěžovací případ zahrnuje všechny události, které vedou k mechanickému zatížení větrné elektrárny v průběhu přechodu z normální provozní situace s výrobou energie do zastavení, nebo volnoběhu. Odhad počtu možných situací musí být založen na funkčním chování řídicího systému.

Pro pasivně řízené větrné elektrárny se může stát, že není možné automatické zastavení, v těchto případech může být zanedbáno únavové zatížení. Pro zatěžovací případ DLC 3.2 je maximální rychlost větru V out nebo V max,shutdown.

Nouzové nebo ruční zastavení (DLC 4.1)

Musí být uvážena zatížení, která vznikají při nouzovém nebo ručním zastavení větrné elektrárny. Výrobce musí v provozním návodu předepsat omezení rychlostí větru, při kterých

Partneři




 


Nahrávám...
Nahrávám...